电涡流传感器技术说明

电涡流位移、振动传感器第一节概述电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。在所有与机械状态有关的故障征兆中，机械振动测量是最具权威性的，这是因为它同时含有幅值、相位和频率的信息。机械振动测量占有优势的另一个原因是：它能反应出机械所有的损坏，并易于测量。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。第二节探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。2、电涡流传感器的典型应用OD9000/9000XL系列电涡流传感器电涡流传感器的典型应用电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。轴向位移测量对于许多旋转机械，包括蒸汽轮机、燃汽轮机、水轮机、离心式和轴流式压缩机、离心泵等，轴向位移是一个十分重要的信号，过大的轴向位移将会引起过大的机构损坏。轴向位移的测量，可以指示旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的位移变化，用以防止机器的破坏。轴向位移是指机器内部转子沿轴心方向，相对于止推轴承二者之间的间隙而言。有些机械故障，也可通过轴向位移的探测，进行判别：●止推轴承的磨损与失效●平衡活塞的磨损与失效●止推法兰的松动●联轴节的锁住等。轴向位移（轴向间隙）的测量，经常与轴向振动弄混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体，沿轴向之间距离的快速变动，这是一种轴的振动，用峰峰值表示。它与平均间隙无关。有些故障可以导致轴向振动。例如压缩机的踹振和不对中即是。振动测量测量径向振动，可以由它看到轴承的工作状态，还可以看到转子的不平衡，不对中等机械故障。可以提供对于下列关键或基础机械进行机械状态监测所需要的信息：·工业透平，蒸汽/燃汽·压缩机，空气/特殊用途气体，径向/轴向·膨胀机·动力发电透平，蒸汽/燃汽/水利·电动马达·发电机·励磁机·齿轮箱·泵·风扇·鼓风机·往复式机械振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。可为如下各种机械故障的早期判别提供了重要信息。·轴的同步振动·油膜失稳·转子摩擦·部件松动·轴承套筒松动·压缩机踹振·滚动部件轴承失效·径向预载，内部/外部包括不对中·轴承巴氏合金磨损·轴承间隙过大，径向/轴向·平衡（阻气）活塞磨损/失效·联轴器“锁死”·轴弯曲·轴裂纹·电动马达空气间隙不匀·齿轮咬合问题·透平叶片通道共振·叶轮通过现象偏心测量偏心是在低转速的情况下，对轴弯曲程度的测量，这种弯曲可由下列情况引起：·原有的机械弯曲·临时温升导致的弯曲·在静止状态下，必然有些向下弯曲，有时也叫重力弯曲。偏心的测量，对于评价旋转机械全面的机械状态，是非常重要的。特别是对于装有透平监测仪表系统（TSI）的汽轮机，在启动或停机过程中，偏心测量已成为不可少的测量项目。它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。转子的偏心位置，也叫轴的径向位置，它经常用来指示轴承的磨损，以及加载荷的大小。如由不对中导致的那种情况，它同时也用来决定轴的方位角，方位角可以说明转子是否稳定。胀差测量对于汽轮发电机组来说，在其启动和停机时，由于金属材料的不同，热膨胀系数的不同，以及散热的不同，轴的热膨胀可能超过壳体膨胀；有可能导致透平机的旋转部件和静止部件（如机壳、喷嘴、台座等）的相互接触，导致机器的破坏。因此胀差的测量是非常重要的。转速测量对于所有旋转机械而言，都需要监测旋转机械轴的转速，转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的，它既能响应零转速，也能响应高转速，抗干扰性能也非常强。电涡流传感器的典型应用图例补偿式胀差测量双斜面胀差测量轴承测量示意图换向片测量示意图图2—1传感器的典型应用实例滚动轴承、电机换向器整流片动态监控对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。探头安装在轴承外壳中，以便观察轴承外环。由于滚动元件在轴承旋转时，滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时，外环会产生微小变形。监测系统可以监测到这种变形信号。当信号变形时意味着发生了轴承故障，如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等。还可以测量轴承内环运行状态，经过运算可以测量轴承打滑度。图2—2图2—3电涡流传感器及其监测系统在汽轮机上的典型应用3、电涡流传感器测量时的安装要求OD9000/9000XL系列电涡流传感器电涡流传感器测量时的安装要求轴的径向振动测量当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90º±5º。由于轴承盖一般是水平分割的，因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45º，从原动机端看，分别定义为X探头（水平方向）和Y探头（垂直方向），X方向在垂直中心线的右侧，Y方向在垂直中心线的左侧。图3—1轴的径向振动测量轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。测量轴承直径最大距离0~76mm25mm76~510mm76mm大于520mm160mm图3—2为径向振动测量时探头的安装探头中心线应与轴心线正交，探头监测的表面（正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面，如图）应无裂痕或其它任何不连续的表面现象（如键槽、凸凹不平、油孔等），且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀，其表面的粗糟度应在0.4um至0.8um之间。轴向位移测量测量轴的轴向位移时，测量面应该与轴是一个整体，这个测量面是以探头的中心线为中心，宽度为1.5倍的探头圆环。探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm(API670标准推荐值)，否则测量结果不仅包含轴向位移的变化，而且包含胀差在内的变化，这样测量的不是轴的真实位移值。键相测量图3—3键相器测量键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键，称键相标记。当这个凹槽或凸键转到探头位置时，相当于探头与被测面间距突变，传感器会产生一个脉冲信号，轴每转一圈，就会产生一个脉冲信号，产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。因此通过对脉冲计数，可以测量轴的转速；通过将脉冲与轴的振动信号比较，可以确定振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。凹槽或凸键要足够大，以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V（AP1670标准要求不小于7V）。一般若采用φ5、φ8探头，则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm（推荐采用2.5mm以上）、长度应大于0.2mm。凹槽或凸键应平行于轴中心线，其长度尽量长，以防当轴产生轴向窜动时，探头还能对着凹槽或凸键。为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大，应将键相探头安装在轴的径向，而不是轴向的位置。应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上，这样即使机组的驱动部分与载荷脱离，传感器仍会有键相信号输出。当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测，从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。键相标记可以是凹槽，也可以是凸键，如图所示，API670标准要求用凹槽的形式。当标记是凹槽时，安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。而当标记是凸键时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙（安装在传感器的线性中点为宜），不是对着轴的其它完整表面进行调整。否则当轴转动时，可能会造成凸键与探头碰撞，剪断探头。4、电涡流传感器的输出特性OD9000/9000XL系列电涡流传感器电涡流传感器的输出特性可用位移-电压曲线表示，如图示。图示的横坐标表示位移的变化，纵坐标代表前置器输出电压的变化。理想位移-电压曲线是斜率恒定直线，直线的a-c段为线性区，即有效测量段。b点为传感器线性中点。图4—1位移-电压曲线间隙（mm）图4—2典型位移电压特性曲线φ11mm探头（负特性输出）5、被测体对电涡流传感器特性的影响OD9000/9000XL系列电涡流传感器被测体对电涡流传感器特性的影响传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。左图列出了同一套φ8探头传感器测量几种典型材料时的输出特性曲线，图中各曲线所对应的平均灵敏度为：AISI4140(42CrMoA)钢7.87(8.0)mV/um45号钢：7.64(7.77)mV/um不锈钢（1Cr18Ni9Ti）：10.41mV/um铝：14.1mV/um铜：15.0mV/um定货注意事项用户必须指明被测体材料、形面、尺寸等。如用户没特别指明，出厂校验时均以AISI4140(42CrMoA)钢作为被测体材料标定，校准时，被测平面直径大于等于3倍探头直径。对AISI4140(42CrMOA)钢（标准出厂校准材料）以外的被测体材料的附加误差对于下列材料，附加灵敏度误差在±5%之内：A3钢35号钢30CrNi340CrNiMoA45号钢20CrNiMoCr17Ni4Nb对于下列材料，附加灵敏度误差在±7.5%之内：30CrMo40CrNi12CrNi70号钢65号钢40号钢30号钢20号钢15CrMo0Cr17Ni7AI0Cr17Ni4Cu4Nb